¡Descarga Diseño de una Torre de Enfriamiento de Agua: Ejercicio 10.5-1 y más Ejercicios en PDF de Calor y Transferencia de Masa solo en Docsity!
TOLUCA DE LERDO, ESTADO DE MEXICO A 22 DE JUNIO DE 2020
UNIVERSIDAD AUTONOMA DEL ESTADO DE MEXICO
FACULTAD DE QUIMICA
TRANSFERENCIA DE MASA I
Torre de Enfriamiento Ejercicio 10.5-1 "Diseño de una torre de enfriamiento
de agua empleando coeficientes de película ”
NOMBRE DE LOS INTEGRANTES:
ARZATE FIGUEROA HAMLET FERNADO
CERVANTES TELLEZ ANAMARI
MORAN GONZALEZ MIGUEL ARMANDO
REYES MARTINEZ ELIZABETH
VAZQUEZ CASTILLO ADOLFO MIGUEL
NOMBRE DEL PROFESOR:
Dr. En C. CESAR PEREZ ALONSO
GRUPO: 6 5
Introducción
Las centrales de generación de potencia suelen tener un rendimiento de alrededor del 30-
40%, esto significa que entre dos tercios y casi la mitad del calor producido por la quema de
combustibles fósiles o el uso de energía nuclear no es usada y tiene que descargarse. Esta
enorme cantidad de calor tiene que disiparse y tiene que hacerse de una manera segura y
económica sin causar daños al medio ambiente.
En el pasado, las plantas industriales descargaban el calor resultante de sus operaciones en el
mar o ríos adyacentes a las mismas, ya que esta opción, era la más sencilla y económica, el
problema es que esto se traduce en un aumento de la temperatura del agua, lo que cual es
extremadamente dañino para la fauna y flora que allí habita.
La opción que ha sido más recurrente durante muchos años ha sido la utilización de torres de
refrigeración húmedas o de enfriamiento evaporativo, que utilizan como medio de
enfriamiento fundamental la evaporación del agua al hacer pasar una corriente de aire a través
de ella. Este tipo de sistemas son los más económicos y los que menor temperatura del agua
refrigerada proporcionan, pero para que su instalación sea rentable se requiere de un
suministro de agua abundante y a un precio razonable.
1
Una torre de enfriamiento es una máquina térmica utilizada para enfriar agua, mediante la
evaporación de un pequeño porcentaje de la misma agua que se enfría, llamado enfriamiento
evaporativo. Dicha evaporación se estimula con una corriente de aire y con la atomización
del agua recirculada. La cantidad de calor extraído para enfriar el agua depende de las
condiciones climáticas del sitio de operación como la altura sobre el nivel del mar,
temperatura de bulbo seco y temperatura de bulbo húmedo.
2
Este enfriamiento se efectúa poniendo en contacto el agua con aire sin saturar en condiciones
tales que el aire se humidifica y el agua se enfría aproximadamente a la temperatura del
termómetro de bulbo húmedo. Este método se utiliza únicamente en el caso en que la
temperatura del termómetro húmedo para el aire es más baja que la temperatura que se quiere
que alcance el agua que sale.
Existen varios tipos de aparatos en los que puede efectuarse esta operación: los principales
son los de tiro natural, y las torres enfriadoras de tiro inducido.
Ya que en este proyecto hablaremos sobre las torres de enfriamiento en las que se utilizan
ventiladores para producir la circulación del aire, entonces, estaremos tratando con un diseño
de tiro inducido.
1
U.T.N. – F.R.Ro. (.). Torres de Enfriamiento. ., de Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Rosario Sitio web:
https://www.frro.utn.edu.ar/repositorio/catedras/quimica/3_anio/integracion3/Torres_de_enfriamiento.pdf
2
“Metodología de Torres de Enfriamiento de Agua” de la Comisión Nacional para el Uso Eficiente de la Energía (CONUEE).
Metodología
El primer paso es construir la curva de equilibrio para un sistema aire-agua.
Tabla 1 Datos tabulado de libro. Tabla 10.5- 1
TL
(ºC)
Hy( 𝟏𝟎
𝟑
(J/KgAS)
La torre de enfriamiento lleva a cabo transferencias tanto de calor como de masa
simultáneamente, sin embargo, para su diseño usualmente se hacen los cálculos centrados en
el módulo de la energía de las moléculas y por tanto la transferencia de calor.
Dentro de los sistemas de flujo el más eficiente para realizar una refrigeración es el sistema
contra corriente donde, para el caso de una torre de enfriamiento de agua el fluido que entra
por la parte de abajo es la fase gaseosa (usualmente aire) el cual entra “seco” y se satura de
moléculas de aire durante la transferencia de calor favoreciendo la disminución de la
temperatura en el fluido caliente que es vertido por la parte superior.
En la mayoría de los casos de tiene agua como fluido caliente debido a su utilización en una
gran cantidad de procesos industriales como refrigerante y, para recircular esta agua y volver
a utilizarla se le hace pasar por equipos de enfriamiento como las torres de enfriamiento.
Para la realización del diseño de estos equipos de refrigeración, se deben tener dos grandes
consideraciones:
Altura de la sección empacada
a. Curva de equilibrio
El primer paso para graficar una curva de equilibrio agua-aire es con datos
obtenidos en experimentos aislados de entalpía y temperatura.
Se tiene una gama de datos y resultados, dependiendo de las temperaturas de
operación de la torre de enfriamiento será el rango de datos que son necesarios
graficar.
b. Ubicar puntos interior y superior de la torre (puntos de operación) y ubicar
línea de operación
i. Calculo de las entalpías de fase e interface (𝐻
𝑦
𝑖
Se obtienen con datos de Tw y Tg del aire en la carta psicrométrica,
donde H es la Humedad
𝑦
𝐿
0
𝐿
= 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑓𝑎𝑠𝑒 𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑎
0
ii. Se calcula la entalpía del gas a la salida con la ecuación del balance
total de la torre:
𝑦 2
𝑦 1
𝐿
𝐿 2
𝐿 1
Ec. 2
𝐿
= 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐𝑖𝑓𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑓𝑎𝑠𝑒 𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑎
una vez obtenidos los puntos de operación, se unen en la gráfica
conjunto a la línea de equilibrio las cuales deben ser paralelas, esto
indica una operación en contracorriente. Por ningún motivo ambas
líneas deben interceptarse
c. Ecuación de diseño
𝑧
0
𝐺
𝐺𝑎
𝑦𝑖
𝑦
𝐻
𝑦 2
𝐻
𝑦 1
Ec. 3
Donde:
𝐺
𝐺𝑎
𝑃 = 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑎 𝑙𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎 𝑙𝑎 𝑡𝑜𝑟𝑟𝑒 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑓𝑟𝑖𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜
𝑦 1
𝑦 2
𝑦𝑖
= 𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙𝑝í𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑓𝑎𝑠𝑒
𝑦
= 𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙𝑝í𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑓𝑎𝑠𝑒 𝑔𝑎𝑠𝑒𝑜𝑠𝑎
Es aquí donde se observa que la parte de calor tiene mayor influencia sobre el diseño de la
torre de enfriamiento pues la fuerza motriz son las entalpías; ésto se explica mediante el
Resultados y Análisis
La altura de la torre se obtiene a partir de la ecuación 10.5- 13 de Geankoplis
𝑩
𝑮
𝑷
𝒚
𝒚
𝒚
𝑯
𝒚𝟐
𝑯 𝒚𝟏
Ec.
Para calcular las entalpias podemos auxiliarnos de la carta psicométrica (Ocupar la tabla de
Himmelblau, Felder)
Limite 𝐻 𝑦 1
Ecuación 9.3- 9 si la entalpia se refiere a una temperatura base 𝑇
𝑜
de 0ºC
Utilizamos la expresión para el sistema internacional:
𝑦
𝐿
− 0 ) + 2501. 4 𝐻 [=]
𝐾𝐽
𝐾𝑔 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜
Ec.
Para leer y poder continuar con el ejercicio requerimos de dos datos fundamentales para
lograrlo, en este caso son:
𝐺 1
𝑤
Dándonos como resultado:
Sustituyendo en la fórmula:
𝑦
3
6
3
Encontramos el segundo límite:
Limite 𝐻 𝑦 2
Ecuación 10.5- 2 Geankoplis
𝑦 2
𝑦 1
𝐶𝐿
𝐿 2
𝐿 1
Ec
Dónde 𝐶
𝐿
3
𝐽
𝐾𝑔𝐾
𝑦 2
3
3
𝑦 2
3
Ahora encontramos los puntos a graficar para la línea de operación:
3
3
Ahora ocuparemos la ecuación de diseño Ec.1 :
𝐵
𝐺
𝑃
𝑦
𝑦
𝑦
𝐻
𝑦 2
𝐻 𝑦 1
Las cantidades interraciales, siempre estarán ubicadas sobre la curva de equilibrio.
Aplicamos el método del trapecio:
− 4
Tabla para hallar los valores.
L operación
Calculo
de ra Real f(Hy)
N
Hy T(°C)
Tsup
(°C) Hyi Hyi Hyi-Hy
1/(Hyi-
Hy) h h*f(hy)
4.2918E-
4.2918E-
308971E-
7.7942E-
3.7707E-
7.5414E-
2.6752E-
5.3504E-
2.2862E-
4.5724E-
1.8148E-
1.8148E-
Ahora utilizamos la ecuación:
𝑦
𝑦
𝐻𝑦 2
𝐻𝑦
1
3
3
− 4
2
− 7
3
5
Figura 2. Curva de Equilibrio
Con estos datos de altura de la torre de ventilación , la altura del empacado las temperaturas
de entrada de agua y aire así como sus flujos, se hace una propuesta de diseño según se
presenta en la figura 3.
Entrada aire
9 m
2 m
8 in
7 m
2 m
2 m
3 m
Salida de Aire
Sistema de control
2 m
3 m
Diagrama de la Torre de Enfriamiento
1a
1b
3 m
Anenometro
Válvula
de control
Válvula de
compuerta
3 m
2 m
Medidas
Tubería para agua 2in
Tubería para gas 8in
Sensores
Válvula de
compuerta
Figura 3
Tipo de Ventilador
Los ventiladores de la torre proporcionan aire en movimiento para enfriar el agua de
condensación mediante evaporación, lo cual se le llama como enfriamiento evaporativo.
El ventilador se situará en la parte superior de la torre, ya que extraerá el aire de la misma.
Datos:
Tubo de 2 in de acero inox.
Cédula 40
De: 8.625 in
Di: 7.981 in
Peso tubería: 0.760 lb/ft
P
H
: 280 psi
T: 73ºF
𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎
2
2
𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎
2
2
𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑣𝑒𝑟𝑠𝑎𝑙
2
2
2
2
2
[=]
3
En la Torre
Utilizando las medidas mostradas en el esquema de la torre de enfriamiento se calculó el
volumen de la torre de enfriamiento y el depósito del agua la salida de la Torre
𝑇𝑂𝑅𝑅𝐸
𝑇𝑂𝑅𝑅𝐸
3
𝑇 2
𝑇 2
3
Se calculó la temperatura de salida del aire usando apoyándose de los conocimientos
adquiridos en la UA de transferencia de calor.
ℎ 1 −
ℎ 2
𝐶 2
𝐶 1
ℎ 1 =
ℎ 2 =
𝑐 1 =
𝑐 2 =
De la ecuación original se despeja la temperatura de salida del fluido caliente
ℎ 2
𝐶 2
𝐶 1
ℎ 1
Datos obtenidos del problema
Agua (fluido caliente)
ℎ 1
= 43. 3 °C
𝑐 2
= 29. 4 °C
Aire (Fluido frio)
ℎ 2
𝑐 1
Sustituyendo datos
ℎ 2
= ( 29. 4 °C − 23 .9°C) + 43. 3 °𝐶 = 48. 8 °𝐶
Son 48 °C de salida de aire dato para determinar el tipo de Anemómetro elegir y clase de
sensores de temperatura y Ventilador
Caudal del liquido
Q(caudal) = V(velocidad del flujo) ∗ S(area)
Se seleccionó una tubería de acero al carbón de 2”
Acero al carbón tuberías
flujo de agua
in Cedula
Tubo Diámetro externo 2.375 in 40
Tubo Diámetro interno 2.157 in 40
S =
2
2
2
2
2
Q = ( 1. 356
𝑘𝑔 𝑑𝑒𝑎𝑔𝑢𝑎
𝑠
1 𝑚 3
999 𝑘𝑔
𝑚 3
𝑠
3600 𝑠
1ℎ
𝑚 3
ℎ
La Altura dinámica se genera como resultado de fricción dentro del sistema de tuberías. Se
calcula usando el factor de Darcy Weisbach ecuación dada por
𝐷
2
Ec.
Tubo Diámetro
interno
2.157 in 0.
Con un caudal de 4. 8864
𝑚 3
ℎ
Q = 𝑣 ∗ 𝑆
Ec.
v= 4. 8864
𝑚 3
ℎ
2
𝑚
ℎ
𝑚
𝑠
Para obtener el valor de k para el sistema considerado la siguiente tabla:
Fitting No. K fiting value Item total
90°C 2 0.75 1.
Válvula de control de
flujo
Tubo en Y 1 1 0.
Válvula de paso 1
Tubo de entrada 1 0.005 0.
Total 3.
El k por el sistema es considerado de 3.705. La tubería K está asociada con las longitudes
rectas de tubería utilizada dentro del sistema y se define:
Ec.
Donde:
El coeficiente de fricción en modelo de Colebrook White:
[𝐿𝑜𝑔{
- 9
}]
2
Ec.
Calculando Reynolds, con viscosidad de 1.0x
kg/ms
μ
Ec.
3
)( 0. 05478 m)
Sustituyendo Reynolds en Ecuación de coeficiente de fricción.
[𝐿𝑜𝑔{
- 9
}]
2
Suponiendo que k de 0.
[𝐿𝑜𝑔{
- 9
}]
2
Sustituyendo f en Ec. 12
Sustituyendo
- 05478 m
Descripción de componentes principales y sección de control
Ventilador
TAD Aero Extractor-Inyector Tubo Axial
Este ventilador tiene aplicaciones para la
proyección directa y localizada de aire limpio,
seco y frio en procesos comerciales e
industriales, torres de enfriamiento, extracción
de humo, gases en estacionamientos, etc.
Ilustración 2. TAD Aero Extractor-Inyector Tubo Axial
Detalles
Es de la marca ATC con motor en acoplamiento directo, ha sido especialmente diseñada con
bridas para facilitar el montaje en conductos y la operación en cualquier posición para brindar
prestaciones de caudal - presión en sistemas de ventilación comercial e industrial.
Características
Carcaza tubular fabricada en acero al carbón con bridas y aplicación de pintura epoxica en
polvo horneada
Hélice de aluminio anti-chispa dinámicamente balanceada en 6 alabes con aplicación de
pintura epóxica en polvo horneada.
Accionado por acoplamiento directo a un motor eléctrico muy eficiente de 4 polos a prueba
de goteo (modelos TAD-16 y 20) y totalmente cerrado con ventilación exterior (modelos
TAD-24 y 26).
Basándonos en el caudal del aire seco fue que pudimos buscar el extractor, ya que nos salió
de 26. 44848
𝑚
3
ℎ
por lo que escogimos uno que tuviera un mayor caudal, ya que puede haber
un margen de error en los cálculos.
Es del modelo TAD- 26 - 3, con un caudal de 31. 814
𝑚
3
ℎ
, potencia de 2 HP, 1730 rpm y un
peso aproximado de 37 kg. Otra de las causas por las cuales escogieramos este ventilador fue
porque es económico a comparación de algunos otros con aproximadamente el mismo caudal.
Ilustracion 2. Tabla de modelos y precios del TDA
Ilustracion 3. Vista frontal del Extractor
Ilustracion 4. Tabla Dimensiones Generales
